N,N-dimetilformamid és víz elegyedésének termodinamikai vizsgálata számítógépes szimulációkkal

Az N,N-dimetilformamid és víz elegyedését vizsgáltuk Monte Carlo szimulációk segítségével, háromféle vízmodell és 5 db DMF modell 15 kombinációját alkalmazva. Jelen dolgozatban termodinamikus integrálás segítségével számoltuk az elegyedés során fellépő energiaváltozást, Helmholtz szabadenergia változást, illetve az entrópia megváltozását, a teljes tartományban, tiszta víztől tiszta DMF-ig.

A modellkombinációkat két szempont alapján értékeltem, mivel az elegyedési energia, szabadenergia és entrópia értékei is rendelkezésre állnak kísérleti adatok alapján. [D. R. V. M. Cilense, A.V. Benedetti, “Thermodynamic Properties of Liquid Mixtures.,” Elsevier Sci. Publ. Co., vol. 63, pp. 151–156, 1983.] Egyik szempontként vizsgáltam, hogy milyen pontosan adják vissza a kísérleti eredményeket a számított értékek, illetve tanulmányoztam, hogy tudják-e a modellek reprodukálni a teljes elegyedést az egész koncentrációs tartományban.

Az eredményeink azt mutatják, hogy a DMF és a víz elegyedése erősen nem ideális. Híg oldatokban mindkét molekula a fő komponens szerkezeti rendezettségét okozza, amit az entrópia csökkenése alátámaszt. A vizsgált 15 modellkombináció közül csak 4 képes a teljes elegyedést reprodukálni és ezek közül is 3 erősen eltúlozza az elegyedés termodinamikai hajtóerejét (D paraméter). Így a DMF-víz elegy tulajdonságait a CS2 [Chalaris, M.; Samios, J. J. Chem. Phys. 2000, 112, 8581-8594.] DMF modell és a TIP4P/2005 vízmodell [Abascal, J. L. F.; Vega, C. J. Chem. Phys. 2005, 123, 234505-1-12.] reprodukálja legjobban.

Az eredményeink azt is szemléltetik, hogy egy részleges negatív töltés áthelyezése a N atomról az O atomra a DMF molekulán belül, növelve annak dipólusmomentumát, javítja az adott modell vízzel való elegyedését. A CS2 modellből kiindulva, az áthelyezendő töltést optimalizálva egy új DMF modellt javaslunk, mely nagyon pontosan reprodukálja a vizes DMF elegyedési Helmholtz-i szabadenergiáját a teljes összetételtartományon, illetve a tiszta DMF belső energiáját, TIP4P/2005 vízmodellel kombinálva.

szerző

• 
  Honti Barbara
  Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
  mesterképzés (MA/MSc)

konzulens

• 
  Dr. Jedlovszky Pál
  tudományos tanácsadó, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék

helyezés